TiSi2颗粒增强选区激光熔化Al-Zn-Mg-Cu合金的可控微观结构与强塑性协同优化研究

《Results in Engineering》：Controllable microstructure and strength-ductility synergy of selective laser melting Al-Zn-Mg-Cu alloy reinforced with TiSi 2 particles

本研究针对传统Al-Zn-Mg-Cu合金在选区激光熔化（SLM）过程中易产生热裂纹的难题，通过引入TiSi2颗粒作为多功能改性剂，系统探究了其分解动力学对微观结构调控及缺陷抑制的作用机制。研究团队优化工艺参数（激光功率300 W、扫描速度800 mm/s）与TiSi2添加量（4 wt.%），成功制备出无裂纹、高致密度（98.8%）的合金，其抗拉强度达561.2 MPa，延伸率为7.4%，实现了强塑性协同提升，为航空航天领域高性能铝合金构件增材制造提供了新策略。

　　

在航空航天和汽车轻量化制造领域，高强铝合金因其低密度、高比强度和优异耐腐蚀性备受青睐。然而，传统Al-Zn-Mg-Cu系列合金在选区激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）技术应用中长期面临严峻挑战：高合金元素含量导致熔体流动性差、激光反射率高，快速凝固过程中热应力集中极易引发热裂纹，且易出现孔洞、元素偏析等缺陷，严重制约其产业化应用。

为突破这一瓶颈，内蒙古工业大学张达兴等人创新性地采用TiSi₂颗粒作为增强相，通过SLM技术制备了改性Al-Zn-Mg-Cu合金。研究发现，TiSi₂在高温熔池中分解为Ti和Si，Ti与铝基体反应生成L1₂-Al₃Ti纳米相，作为异质形核点显著细化晶粒；同时Si元素促进Al-Si共晶形成，填充枝晶间裂纹区域，实现“自愈合”效应。通过优化工艺参数（激光功率300 W、扫描速度800 mm/s）和TiSi₂添加量（4 wt.%），最终获得平均晶粒尺寸1.174 μm、相对密度98.8%的无裂纹试样，其抗拉强度达561.2±6.5 MPa，延伸率7.4±0.4%，性能优于多数已报道的SLM成形铝锌镁铜合金。该研究成果发表于《Results in Engineering》，为增材制造高性能铝合金提供了新材料设计思路。

关键技术方法包括：采用气雾化法制备Al-Zn-Mg-Cu合金粉末（粒径15–53 μm）与TiSi₂粉末（5–10 μm）机械混合；使用Renishaw-500E型SLM设备，在氩气保护环境下（氧浓度<600 ppm）进行成形；通过扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、透射电镜（TEM）和X射线衍射（XRD）分析微观结构与相组成；采用Instron 5982力学试验机进行拉伸测试，HVS-1000A型显微硬度仪测量硬度。

缺陷分析

通过SEM观察发现，未添加TiSi₂的合金存在大量沿熔池边界分布的热裂纹（图3a）。当TiSi₂添加量增至2 wt.%时，裂纹数量显著减少，但出现未熔合缺陷（图3b）。添加4 wt.% TiSi₂后，裂纹和未熔合缺陷基本消除，仅存少量气孔（图3c-e）。过量添加（6 wt.%）会导致TiSi₂未完全溶解，形成应力集中点（图3f）。能量密度分析表明，300 W激光功率配合800 mm/s扫描速度（能量密度156.25 J/mm³）时可实现最优致密化（图4）。

物相组成分析

XRD图谱显示（图5），TiSi₂添加后合金中形成L1₂-Al₃Ti相、Al-Si共晶和β-Mg₂Si相。当添加量达4–6 wt.%时，L1₂-Al₃Ti衍射峰显著增强。Al-Si共晶的晶体结构与α-Al相近，其低熔点特性在凝固末期填充裂纹区域，起到愈合作用。

微观结构分析

EBSD分析表明（图6-7），未改性合金以跨层生长的柱状晶为主，平均晶粒尺寸8.847 μm。添加2 wt.% TiSi₂后开始出现等轴晶；4 wt.%时完全转变为等轴晶，晶粒尺寸降至1.174 μm，大角度晶界比例达96%（图8）。局部取向差分析显示，4 wt.%样品平均取向差为0.715°，对应高位错密度，强化了晶界钉扎效应。TEM进一步证实L1₂-Al₃Ti纳米相与基体共格，Mg、Si、Cu元素在晶界富集（图9）。

力学性能

拉伸测试表明（图10-11），4 wt.% TiSi₂改性合金的强度与延伸率同步提升，硬度达192.9±4.4 HV_0.2。断口分析显示（图12），未改性合金为解理断裂，添加4 wt.%后转变为均匀韧窝结构，体现韧性断裂特征。性能优化归因于四重强化机制：细晶强化（Δσ_Hall-Petch≈130.8 MPa）、Orowan强化（Δσ_Orowan≈26.16 MPa）、热错配位错强化（Δσ_CTE≈29.52 MPa）和载荷传递强化（Δσ_load≈273.52 MPa）。

气孔形成机制

研究指出气孔主要由熔池内氢气泡滞留和瑞利-贝纳德对流（Rayleigh-Bénard convection）导致（图15）。TiSi₂分解产生的Si元素增强熔体对流，促进气体逸出；Al-Si共晶缩短凝固区间，减少凝固收缩气孔。计算表明熔池瑞利数（Ra≈1.7×10⁵）远超过临界值（1708），证实对流是气孔形成的主因。

结论与意义

本研究通过TiSi₂单一致密化改性，实现了SLM成形Al-Zn-Mg-Cu合金的微观结构可控与强塑性协同提升。其核心创新在于利用TiSi₂分解产物的双重功能：L1₂-Al₃Ti相促进异质形核，Al-Si共晶实现裂纹自愈合。该工作为增材制造高性能铝合金提供了单一添加剂改性新范式，对航空航天复杂构件的轻量化制造具有重要应用价值。